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关于嵌入式学习——嵌入式硬件3

news 2025/9/5 10:41:26

一、概念

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步收发器，硬件通信的形式
51有两个串口（1个串口被用于ISP下载程序，1个串口被用于和主机之间的通信）
串口通信有两个数据传输线（TXD）发送信号线/（RXD）接收信号线

二、通信方式

1.单工：

发送方和接收方是固定的，数据只能从发送方发给接收方
通过一根信号线进行数据传输，数据传输的方向呈现单一性

2半双工：（I2C）

通信的双方既可以作为发送方也可以作为接收方
数据传输通过一根信号线实现，数据的传输方向可以是双向的
同一时刻，数据传输方向呈现单一性（A给B发的时候，B不能给A发，B只能接收数据)

3全双工（UART）

通信双方既可以作为发送方也可以作为接收方
数据传输是通过两根信号线实现，数据传输在任意时刻都是双向的（收发可以同时进行）

三、数据传输的顺序：
Uart在传输数据时，遵循LSB优先原则（低位先行），先发低位数据，一个bit一个bit发

四、数据传输的形式：

串行：通过一根信号线传输数据，按照先后次序逐个bit逐个bit去发送数据
并行：同时多根信号线同时去传输数据

五、串行传输和并行传输的区别：
串行：

传输速率慢(只能通过一根线逐个bit去传输)
硬件成本低，实现简单
传输距离远，抗干扰性好（RS485 差分）

并行：

传输速率快（可以通过多根线同时传输多个bit）
硬件成本高，实现复杂
传输距离近，抗干扰性差（30米以内距离增加后多根信号新存在信号偏移，会电磁波干扰，会造成误差和干扰）

六、串口通信时序：

1.串口通信时，空闲状态为高电平
2.当由高电平变为低电平（发送一个低电平信号），代表发送了一个起始位，准备开始通信
3.发送数据（通常是8bit，遵循先发数据低位LSB原则）
4.再发送一个bit的校验位

tip:
校验：
奇偶校验（串口）
累加和校验
CRC校验（Modbus协议）

七、奇偶校验：

问题：无法检测偶数个bit出错

奇校验：校验位为1，若数据位中1的个数加上校验位中的1，保持1的个数为奇数个，则代表校验通过
偶校验：校验位为0，若数据位中1的个数加上校验位中的0，保持1的个数为偶数个，则代表校验通过

八、串口通信参数（波特率、数据位、停止位、校验位）：

波特率：bps（bit per second），每秒钟传输bit的数量，常见的波特率：2400，4800，9600，115200

数据位：8位串口传输通常8bit数据位传输

停止位：1，1bit停止位

校验位：

None，N，无校验
Even，E，偶校验
Odd，O，奇校验

ex：
9600, 8, N, 1
2400,8,E,1
115200, 8, 0, 1

九、同步通信和异步通信

UART、I2C、SPI？同步？异步？
I2C（SCL：时钟线，SDA：数据线）
SPI（SCLK时钟线）
UART（无时钟线）

同步：通信的双方有一根共享的时钟线来约定通信的频率（同步发送数据/接收数据）
异步：通信双方没有时钟线进行同步，如Uart：可以通过设置波特率来实现同步（发：2400bps收：2400bps）

十、串口相关寄存器：

(1）SCON/PCON串口控制寄存器:

PCON寄存器中的bit6置0代表通过SCON寄存器中SMO和SM1两位指定串口工作方式：
将SCON寄存器中的bit6和bit7清0
将SCON寄存器中的SM1 bit6置1，SM0bit7清0，代表串口工作8位UART模式
将SCON寄存器中REN bit4置1，代表允许串口接收数据
SCON寄存器中bit1 T1位，代表串口8位数据发送完毕硬件自动置1，但需要软件清0（查询）
SCON寄存器bit0 R1位，代表串口8位数据接收完毕硬件自动置1，但需要软件清0（查询）
PCON寄存器bit7位置1，代表波特率加倍

（2）串口数据缓冲寄存器SBUF：无需配置，数据传入即可：

有2个互相独立的接收、发送缓冲器，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码（99H）。两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器SBUF。

（3）定时器相关配置：

1. 串口为什么需要定时器？
UART 是异步通信，没有单独的时钟线，收发双方必须事先约定一个比特时间（波特率）。
单片机内部通常没有“波特率发生器”专用模块，于是把定时器借过来当波特率发生器用。
定时器以固定频率溢出（或翻转），每溢出一次就产生一个“tick”给 UART，告诉它：“该发/收 1 位数据了”。

TMOD定时器模式选择寄存器：

将TMOD寄存器中的高四位清0(定时器1)
将TMOD寄存器中的bit5置1，bit4清0，代表定时器1工作在8位自动重装载模式
将TCON寄存器中的bit6置1，代表允许定时器1开始计数

定时器初值的计算公式：

公式：2^8-2^smod * focs / 32 / bps / 12
其中smod表示PCON的B7,根据实际情况带入，不是0就是1(波特率是否加倍)；
focs晶振频率，我是12Mhz = 12000000hz;
bps目标波特率我是2400bps
2^8这里的8来自定时器的工作方式，因为我使用的是8位自动重装方式，所以是8
按要求2400bps，smod=1时，该公式计算结果为：230

（4）中断寄存器相关配置：

为什么需要中断寄存器？如果没有，定时器溢出之后也不会有中断产生呀
IE中断控制寄存器：

将IE寄存器中的bit7 EA位置1，代表CPU能够响应所有中断
将IE寄存器中的bit4 ES位置1，代表允许串口产生中断

//串口初始化
void Uart_Init(void)
{
//串口控制寄存器配置PCON &= ~(1 << 6);//CON寄存器中的bit6置0 代表通过SCON寄存器中SMO和SM1两位指定串口工作方式SCON &= ~(3 << 6);//将SCON寄存器中的bit6和bit7清0SCON |= (1 << 6);//将SCON寄存器中的SM1bit6置1，M0bit7清0(前一步已清)，表串口工作8位UART模式SCON |= (1 << 4);//将SCON寄存器中RENbit4置1，代表允许串口接收数据PCON |= (1 << 7);//CON寄存器bit7位置1，代表波特率加倍//定时器和中断寄存器相关配置初始化  （定时器1 8位自动重装载模式）//定时器1TMOD &= ~(0xF0 << 0);//将TMOD寄存器中的高四位清0(定时器1)TMOD |= (1 << 5);//TMOD寄存器中的bit5置1，bit4清0(前一步已清)，代表定时器1工作在8位自动重装载模式//计算起始点： 2^8-2^smod *focs / 32 / bps / 12Tl1 = 230;TH1 = 230;TCON |= (1 << 6);//将TCON寄存器中的bit6置1，代表允许定时器1开始计数//定时器中断IE |= (1 << 7);//总开关	  将IE寄存器中的bit7EA位置1，代表CPU能够响应所有中断IE |= (1 << 4);//允许定时器1产生中断  将IE寄存器中的bit4 ES位置1，代表允许串口产生中断return;
}

十一、串口中断服务函数——传递字符、传递字符串、传递数组

	while (1){
//		 Uart_SendChar('y');
//	     Uart_SendStr("Hello world!");Uart_SendBuffer(buffer, strlen(buffer));//向串口发送数组里的内容delay(0x3FFF);}}#include <reg51.h>xdata char recv_buffer[32];
unsigned int pos = 0;
//串口接收服务函数
void Uart_RecvHandler(void) interrupt 4
{if((SCON & (1 << 0)) == 1)//成功接收到8位数据 根据SCON bit0判断是否接收到{if (pos < 32){recv_buffer[pos++] = SBUF;//一次串口中断 接收到一个字节 存入数组 并把数组下标后移一位 recv_buffer[pos] = 0;//下一个数组下标的元素值清零}SCON &= ~(1 << 0);//SCON bit0 软件置0；}return ;
}//串口初始化
void Uart_Init(void)
{
//串口控制寄存器配置PCON &= ~(1 << 6);//CON寄存器中的bit6置0 代表通过SCON寄存器中SMO和SM1两位指定串口工作方式SCON &= ~(3 << 6);//将SCON寄存器中的bit6和bit7清0SCON |= (1 << 6);//将SCON寄存器中的SM1bit6置1，M0bit7清0(前一步已清)，表串口工作8位UART模式SCON |= (1 << 4);//将SCON寄存器中RENbit4置1，代表允许串口接收数据PCON |= (1 << 7);//CON寄存器bit7位置1，代表波特率加倍//定时器和串口中断寄存器相关配置初始化  （定时器1 8位自动重装载模式）//定时器1TMOD &= ~(0xF0 << 0);//将TMOD寄存器中的高四位清0(定时器1)TMOD |= (1 << 5);//TMOD寄存器中的bit5置1，bit4清0(前一步已清)，代表定时器1工作在8位自动重装载模式//计算起始点： 2^8-2^smod *focs / 32 / bps / 12TL1 = 230;TH1 = 230;TCON |= (1 << 6);//将TCON寄存器中的bit6置1，代表允许定时器1开始计数IE |= (1 << 7);//总开关	  将IE寄存器中的bit7EA位置1，代表CPU能够响应所有中断IE |= (1 << 4);//允许串口产生中断  将IE寄存器中的bit4 ES位置1，代表允许串口产生中断return;
}
//向串口发送字符
void Uart_SendChar(unsigned char buff)
{///tip:SCON寄存器初始上电后 所有位置清零SBUF = buff;//SCON寄存器中bit1 T1位，代表串口8位数据发送完毕硬件自动置1，但需要软件清0（查询）while((SCON & (1 << 1)) == 0);//发送数据完毕后，硬件置1，查询是否发送SCON &= ~(1 << 1); //软件给此位清零return;
}
//向串口发送字符串
void Uart_SendStr(const char *p)
{while(*p){Uart_SendChar(*p++); //等价于*(p++)//1取出当前 p 指向的值（*p）//2把指针 p 向后挪一个元素（p++）}return;
}
//向串口发送数组中的数据
void Uart_SendBuffer(const char *p, int lenth)
{
//	int i = 0;
//	for(i = 0; i < lenth; i++)
//	{
//		Uart_SendChar(*p);
//		p+=i;
//	}while(lenth--){Uart_SendChar(*p++);}return;
}

十二、主从应答：

主机：拥有对通信绝对控制权，通信都是由主机发起

从机：无法直接发起通信，只能根据主机下发的指令完成对应操作

#include <reg51.h>
#include <string.h>
#include "uart.h"
#include "delay.h"int main(void)
{xdata char buffer[32] = {0};Uart_Init();	while (1){
//		 Uart_SendChar('y');
//	     Uart_SendStr("Hello world!");
//		 Uart_SendBuffer(buffer, strlen(buffer));if(pos != 0){	 
//			 Uart_SendBuffer(recv_buffer, strlen(recv_buffer));//向串口发送数组里的内容delay(0x3FFF);if(strcmp(recv_buffer,"hello") == 0){Uart_SendStr("Hello world!");}if(strcmp(recv_buffer,"hi") == 0){Uart_SendStr("Hi world!");}pos = 0;}}return 0;
}

十二、Modbus协议：

Modbus协议
（主机 - >从机）
起始位地址码功能码数据位1 数据位2 校验码停止位
0xAA 0x01 0x01 00 42 EE（累加和校验） 0xBB

（从机->主机）

起始位地址码功能码数据位1 数据位2 校验码停止位
0xAA 0x01 0x81 00 42 6E 0xBB

累加和校验：前五个之和等于校验码

功能码：bit7：数据流向位 0“表示从主机流向从机 / 1表示从从机流向主机

bit0： 1：控制LED灯
2：控制数码管(动态显示)
3：控制蜂鸣器(频率)
4:：温度采集

总结重点：

一、主机发送指令，从机解析主机发送的指令并获得功能码，根据功能码完成对外设的控制，并回复应答给主机
（01 --- LED控制 02 --- 数码管控制 03 --- 蜂鸣器控制）

二、
1.UART的概念

2、单工、半双工、全双工概念

3、串行、并行概念